Datengesteuerte agentenbasierte Modellierung des kollektiven Trypanosoma Verhaltens

• Antragstellerin: Professorin Dr. Sabine Fischer
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biophysik ; Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492009575

Der einzellige Parasit Trypanosoma brucei bildet im Darm der Tsetsefliege Schwärme linearer Ausrichtung aus. Im sogenannten in vitro „Social Motility Assay“ zeigen Kolonien der Insektenform des Parasiten radiale Projektionen. Quantitative Daten zum kollektiven Verhalten sind verfügbar, aber die zugrundeliegenden Mechanismen sowie die Verknüpfung mit der in vivo Situation erfordern weitere Untersuchungen. Wir adressieren diese Fragen durch die datengestützte Entwicklung eines agentenbasierten Modells für kollektives Verhalten abgeleitet vom Vicsek Modell (Vicsek et al. 1995). Unter Berücksichtigung physikalischer und chemischer Agent-Agent- und Agent-Rand-Interaktionen testen wir unsere Haupthypothese, dass die kollektive Bewegung von Trypanosomen durch eine Kombination aus negativer Auto-Chemotaxis und Parasitenausrichtung am Rand reproduziert werden kann. Eine effiziente Implementierung des Modells in der Programmiersprache Julia ermöglicht Simulationen für eine Agentenzahl, die der Anzahl von Parasiten im Experiment entspricht. Dadurch lassen sich direkte, quantitative Vergleiche zwischen Simulationsergebnissen und experimentellen Daten durchführen. Wir berücksichtigen sowohl Daten aus der Literatur als auch aus anderen Projekten des Schwerpunktprogramms. In Zusammenarbeit mit experimentellen Projekten, testen wir die biologische Relevanz und durch Interaktion mit Projekten für detaillierte hydrodynamische Simulationen der Parasiten stellen wir die Qualität unseres Modells in Bezug auf die Approximation der Physik sicher. Nachdem wir eine geeignete Simulation des quasi zweidimensionalen In-vitro-Assays etabliert haben, übertragen wir unsere Agenten auf drei räumliche Dimensionen, um eine Verbindung zur In-vivo-Situation herzustellen. Insbesondere berücksichtigen wir einen Kanal mit einem Strömungsfeld sowie Verengungen und Hindernisse, um den Fliegendarm abzubilden. Die Analyse unseres Modells in dieser Umgebung gibt Aufschluss über die Sensitivität des kollektiven Trypanosoma Verhaltens bezüglich Veränderungen der Umgebungsgeometrie. Bei der Entwicklung des agentenbasierten Modells legen wir großen Wert auf Allgemeingültigkeit. Um die Grundlage für eine breitere Anwendung unseres Modells zu schaffen, haben wir drei Projektvorschläge für das Schwerpunktprogramm identifiziert, die die Bewegungsmuster und Interaktionen großer Gruppen von Individuen untersuchen, nämlich Heligmosomoides poligyrus im Dünndarm, Giardia muris im Dünndarm und Plasmodium falciparum Tubulindimere in Flüssigkeitstropfen. Tests unseres Ansatzes für diese Systeme helfen, unser Verständnis allgemeiner physikalischer Konzepte in der Parasitologie zu erweitern. Unser Projekt trägt zu einem detaillierteren Verständnis der Fortbewegung von Trypanosomen und der Physik ihrer Interaktion mit Grenzflächen in ihrer Mikroumgebung bei. Darüber hinaus fördert es ähnliche Studien in anderen parasitären Systemen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2332: Physik des Parasitismus